一种高温性能优异的钛铝基合金材料及其制备方法

专利名称：一种高温性能优异的钛铝基合金材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种高温合金领域技术，特别是一种高温性能优异的钛铝基合金材料 及其制备方法。
背景技术：
随着航空、航天、汽车、舰船等发动机性能不断提高，对高温材料的性能提出了更 高的要求，即更高的强度、抗氧化性能和更轻的密度等。Y-TiAl基合金材料具有良好的高 温强度、蠕变抗力和抗氧化性能等优点，正在发展成为新一代航空发动机材料，可用于制造 压气机、燃气涡轮机叶片，压气机定子挡风板，定子机座以及其他形状复杂的大尺寸铸造和 锻造零件，以部分替代笨重的镍基高温合金，可减重约50%。Y-TiAl基合金已用于制造汽 车发动机的涡轮增压器、气阀等。目前，中国和世界各工业国家都在积极地开展研究，但已 经实际应用的合金种类很少。从钛铝合金材料的理论研究来看当钛铝合金铸造过程中凝固路线为Y相凝固 时，凝固后的钛铝合金多处于Y单相区，单相Y-TiAl的室温延伸率非常差，原因是单相 Y-TiAl室温下很多位错不可动，而主要的滑移位错又被层错偶极子钉扎。而α2+γ组织 在延伸率和强度上明显优于单相Y-TiAl，原因是Ci2吸收氧，从而降低了 Y中的氧含量， 利于位错滑移。目前为止钛铝合金制备过程中α相凝固路线研究最多，其中研究最多的是 46_47at%。Ti-(46_47at% )A1钛铝合金材料的凝固路线为α相凝固，α相凝固路线如 下L (液相)一α相一α + Y — α 2+ Y，室温下组织为α 2+ Υ。凝固过程中L相冷却时首 先生成的α晶体形成明显的柱状晶组织，而后续形成的Y片层垂直于α相的柱状晶生长 的方向，导致铸态组织具有明显的各向异性，铸件各部位性能差异明显。为了解决α相凝固时钛铝合金的组织均勻性和性能较差的问题，可以在上述Al 含量的Y-TiAl合金中添加适量的β稳定元素如Nb、Zr、Hf等，使Ti-Al合金相图中的β 相区向右移动，实现β相凝固；或者调整Al含量的取值范围，使Y-TiAl合金中Al含量约 为44站％或以下，以实现β相凝固，但如果Al含量过低则粗大的β相增加导致塑性很差。 β相凝固路线如下L (液相)一L+β — β — α+β — α — α + Υ — α 2+γ，室温下组织 为α2+γ，如Ti-44Al-0. 2Β合金。但当Y-TiAl合金中含有一定含量的β稳定元素时，β 相凝固路线为=L(M) — L+β — β — α+β — α+βπι — α + γ + βπι- α2+γ + βπι，室 温下组织为α2+γ + βπι(βπι为亚稳β相)，如Ti-44Al-5Nb-0. 2Β合金。β相凝固过程中， 由于β晶粒中可以形成12个完全不同方向的α变体，最终在每个β晶粒中得到取向完 全不同的板条团，该组织各向异性很小，各部位力学性能基本一致。在钛-铝二元合金相图上，当Al含量高于44站％左右时，Y-TiAl合金凝固过程中 将发生包晶反应L+β — α，凝固路线为L(液相)一L+β - β + α- α- α + γ- α2+γ 或L —L+β -L+α - α — α + Υ — α2+Υ。含包晶反应的钛铝合金凝固过程中，包晶反 应发生在β相和液相界面处，当α相从液相处开始形核，如前所述将使铸态组织具有明显
3的各向异性；当α相从β相处开始形核，将得到取向完全不同的较粗大板条团，该组织各 向异性很小。经国内外多年研究和测试，经过包晶反应的Y-TiAl合金可以在实际应用，但 凝固后铸件成分的均勻性较经β相凝固的Y-TiAl合金要差。专利US6051084指出Nb可以极大地改善钛铝合金的抗氧化性能，提高合金的高温 强度及蠕变性能，当Nb含量为6 10%时合金均具有较好的抗氧化性能。中科院金属所R. Yang教授等，在《Alloy development and shell mould casting of gamma TiAl)) (Journal of materials processing technology [J]，2003，135 :179-188) 中研究了 2at% Nb,5at% Nb,8at% Nb分别对γ-TiAl合金抗氧化性能和抗热疲劳性能的 影响，得出Nb含量为5at%时抗氧化性能、抗热疲劳性能较8at% Nb时更好；当Nb含量为 2at %时钛铝合金抗热疲劳性能最好。干勇、田志凌等在《中国材料工程大典(第2卷上)》(化学工业出版社，2006 817)中指出，Mo可以提高细晶合金的塑性和强度，改善钛铝合金的抗氧化性能；适量的Si 可以提高钛铝合金浇注的流动性并降低热裂敏感性；M可以增加材料的流动性能。专利 US6294132指出Ni可以提高β相的蠕变抗力、增加合金内部的摩擦和提高抗震性能；Si可 以提高钛铝合金的高温强度和蠕变强度，并可以提高合金的抗氧化性能。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高温性能优异的钛铝基合金材料及其制 备方法，该合金属于Y -TiAl合金，既有良好的室温塑性，又有良好的抗蠕变性能和抗氧化 性能，能提高普通TiAl合金的使用温度，使钛铝合金能在900°C左右温度下长时间使用；同 时，该耐高温Y-TiAl合金材料具有良好的铸造性能，适合于薄壁零件的铸造。为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案本发明的一种高温性能优异的钛铝基合金材料，属于Y-TiAl合金，具体化学成 分质量百分比组成为A1 44. 0 48. Oat Nb 3. 0 5. Oat %、Mo 0. 1-3. Oat Ni 0-0. 8at%、Si 0-0. 8at%、其余为Ti及不可避免的杂质元素。所述的高温性能优异的钛铝基合金材料，优选的化学成分质量百分比组成可以 是A1可以优选46. 0 47. Oat %，更优选46. 5at % ;Nb可以优选3. 5 4. 5at %，更优 选4. Oat % ；Mo可以优选1. 0-2. Oat %，更优选1. 5at% ；Ni可以优选0. 2-0. 6at%，更优选 0. 3at % ;Si 可以优选 0. 3-0. 6at %，更优选 0. 4at %。这些技术方案，包括优选的各个元素质量百分比以及更优选的各个元素质量百分 比也可以互相组合或者结合，从而达到更好的技术效果。Nb可以极大地改善钛铝合金的抗氧化性能，提高合金的高温强度及蠕变性能，但 随着Nb含量的增大，钛铝合金材料熔炼浇注过程中的流动性能会随之降低。因此，高Nb含 量的钛铝合金不利于薄壁零件的浇注成型。本发明在高Nb钛铝合金的基础上适度降低Nb 含量至3. 0 5. Oat%，在较普通钛铝合金具有更高抗氧化性能、高温强度及蠕变性能的同 时，提高了钛铝合金铸造时的流动性能，在真空感应炉和真空自耗电弧炉熔炼浇铸时可以 更好地成型钛铝合金薄壁件。同时，适度降低Nb含量可以降低钛铝合金材料的成本。Mo可以提高钛铝合金的室温延伸率，同时Mo可以比较显著地提高钛铝合金的抗 氧化性能。本专利材料中通过添加适量的Mo提高了钛铝零件的室温加 能，但当Mo含量过高时材料的高温强度会降低。通过添加适量的M有利于改善材料的蠕变性能、增加合 金内部的摩擦和提高抗震性能，如果M过高会使材料的室温延伸率降低；添加适量的Si可 以提高钛铝合金的蠕变强度和抗氧化性能，但当Si含量过高时材料的室温延伸率会降低。考虑到B元素可以显著细化Y -TiAl合金的晶粒尺寸，但含B的TiAl合金铸造显 微组织中易出现Imm以上的大晶粒，在需要承载较大应力的零件中，B化物常导致零件的过 早断裂失效。因此，本专利中未添加晶粒细化元素B。通过实验与分析钛铝合金中不同元素及含量对材料力学性能及铸造性能的影 响，本发明的钛铝合金材料为Ti-(44 48at % )A1_(3 5at % )Nb-(0. 1-3. Oat % ) Mo- (0-0. 8at % ) Ni-(0-0. 8at % ) Si。本发明的一种高温性能优异的钛铝基合金材料制备方法是采用海绵钛或其它纯 钛料、AlNb合金、AlMo合金、纯Ni、纯Al以及纯Si作为原料，或者其他能够使合金的最终 组成符合比例要求的原料，在真空自耗电极电弧凝壳炉或真空感应炉中熔炼并浇铸成型， 浇铸成型时可以对钛铝合金铸锭进行真空熔炼后浇铸或进行充氩熔炼后浇铸；所述真空熔 炼后浇铸是指铸锭真空熔炼前需要预抽一定的真空，并待钛铝合金液体完全熔化后方可浇 铸成型；所述充氩熔炼后浇铸工艺是指充氩熔炼前炉内需要预抽一定的真空度，之后充入 氩气到一定压力后进行熔炼，并待钛铝合金液体完全熔化后方可浇铸成型。上述高温性能 优异的钛铝基合金材料制备方法，感应炉熔炼钛铝合金铸锭时需要熔炼两次以上以保证材 料的均勻性；所述真空自耗电极电弧凝壳炉浇铸用钛铝合金铸锭的制备方法为首先挤压 钛铝合金电极，之后在真空自耗电极电弧炉中熔炼成钛铝合金铸锭。上述一种高温性能优异的钛铝基合金材料的制备方法，充氩熔炼前炉内需要预抽 一定的真空度，一般要求使真空度在3. 5Pa以下。上述一种高温性能优异的钛铝基合金材料的制备方法，所述的充入氩气到一定压 力，一般要求氩气压力为60000Pa以上。根据具体工艺也可以选择其他原料，只要能够使合金的最终组成符合Al 44. 0 48. 0at%,Nb 3. 0 5. 0at%,Mo 0. 1-3. 0at%,Ni :0_0· 8at%,Si :0_0· 8at%、其余为 Ti 的比例要求即可。通过采用上述技术方案，本发明具有以下的有益效果本发明提供的一种高温性能优异的钛铝基合金材料，提高了普通TiAl合金的使 用温度，使钛铝合金能在900°C下使用，而且既有良好的室温塑性，又有良好的抗蠕变性能 和抗氧化性能。同时，该耐高温Y-TiAl合金材料具有良好的铸造性能，适合于薄壁零件的 铸造，特别是适合铸造高温下应用的轻型构件材料，如航空发动机、汽车发动机涡轮增压器 中涡轮叶片等，能够提高航空发动机、汽车发动机的使用性能，具有巨大的市场前景。
具体实施例方式实施例1制备过程中采用海绵钛、AlNb50合金、Α1Μο60合金、纯Al作为原料，配制钛铝合 金Ti-46at% Al-4at% Nb-1. Oat % Mo。在真空感应炉中预抽真空度3. 5Pa，之后充氩到 60000Pa后进行熔炼，当钛铝合金材料完全熔化后再继续熔炼搅拌2min之后停止熔炼，将 钛铝合金铸锭冷却到室温；按以上工艺钛铝铸锭总共反复熔炼三次(每次熔炼前将铸锭方向对调)后浇铸钛铝合金薄壁件及力学测试试棒。经测试钛铝合金室温性能为抗拉强度为380Mpa，延伸率为0. 70% ；900°C高温性 能抗拉强度为350Mpa，延伸率为2. 5%。实施例2制备过程中采用海绵钛、AlNb50合金、Α1Μο60合金、纯Ni、纯Al以及纯Si作为原 料，配制钛铝合金 Ti-46at% Al-4at% Nb-0. 6at%Mo-0. 2at% Ni-0. ISi。在真空感应炉中 预抽真空度3. 5Pa,之后充氩到60000Pa后进行熔炼，当钛铝合金材料完全熔化后再继续熔 炼搅拌2min之后停止熔炼，将钛铝合金铸锭冷却到室温；按以上工艺钛铝铸锭总共反复熔 炼三次(每次熔炼前将铸锭方向对调)后浇铸钛铝合金薄壁件及力学测试试棒。经测试钛铝合金室温性能为抗拉强度为365Mpa，延伸率为0. 80% ；900°C高温性 能抗拉强度为345Mpa，延伸率为3. 0%。实施例3制备过程中采用海绵钛、AlNb50合金、Α1Μο60合金、纯Ni、纯Al以及纯Si作为原 料，配制钛铝合金 Ti-44at% Al-5at% Nb-0. Iat % Mo-0. 8at% Ni-0. 3Si。在真空感应炉中 预抽真空度3. 5Pa,之后充氩到60000Pa后进行熔炼，当钛铝合金材料完全熔化后再继续熔 炼搅拌2min之后停止熔炼，将钛铝合金铸锭冷却到室温；按以上工艺钛铝铸锭总共反复熔 炼三次(每次熔炼前将铸锭方向对调)后浇铸钛铝合金薄壁件及力学测试试棒。经测试钛铝合金室温性能为抗拉强度为400Mpa，延伸率为0. 70% ；900°C高温性 能抗拉强度为360Mpa，延伸率为2. 5%。实施例4制备过程中采用海绵钛、AlNb50合金、Α1Μο60合金、纯Ni、纯Al以及纯Si作为原 料，配制钛铝合金Ti-48at% Al-3at% Nb-3at% Mo-0. 6at% Ni-0. 8Si。在真空感应炉中预 抽真空度3. 5Pa,之后充氩到60000Pa后进行熔炼，当钛铝合金材料完全熔化后再继续熔炼 搅拌2min之后停止熔炼，将钛铝合金铸锭冷却到室温；按以上工艺钛铝铸锭总共反复熔炼 三次(每次熔炼前将铸锭方向对调)后浇铸钛铝合金薄壁件及力学测试试棒。经测试钛铝合金室温性能为抗拉强度为410Mpa，延伸率为0. 60% ；900°C高温性 能抗拉强度为355Mpa，延伸率为3. 0%。实施例5制备过程中采用海绵钛、AlNb50合金、Α1Μο60合金、纯Al以及纯Si作为原料，配 制钛铝合金Ti-45at % Al-5at % Nb-0. 7at % Mo-0. 4Si。在真空感应炉中预抽真空度3. 5Pa， 之后充氩到60000Pa后进行熔炼，当钛铝合金材料完全熔化后再继续熔炼搅拌2min之后停 止熔炼，将钛铝合金铸锭冷却到室温；按以上工艺钛铝铸锭总共反复熔炼三次(每次熔炼 前将铸锭方向对调)后浇铸钛铝合金薄壁件及力学测试试棒。经测试钛铝合金室温性能为抗拉强度为390Mpa，延伸率为0. 80% ；900°C高温性 能抗拉强度为350Mpa，延伸率为3. 5%。
权利要求
一种高温性能优异的钛铝基合金材料，其特征是该合金属于γ TiAl合金，化学成分质量百分比组成为Al44.0～48.0at％、Nb3.0～5.0at％、Mo0.1 3.0at％、Ni0 0.8at％、Si0 0.8at％、其余为Ti及不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述高温性能优异的钛铝基合金材料，其特征是所述合金的化学 成分质量百分比组成是:A1 46. 0 47. Oat% ；Nb 3. 5 4. 5at% ；Mo 1. 0-2. Oat% ；Ni 0. 2-0. 6at% ；Si 0. 3-0. 6at%。
3.根据权利要求2所述高温性能优异的钛铝基合金材料，其特征是所述合金的化 学成分质量百分比组成是Al 46. 5at % ；Nb 4. Oat % ；Mo 1. 5at % ；Ni 0. 3at % ；Si 0. 4at%0
4.一种权利要求1所述高温性能优异的钛铝基合金材料的制备方法，采用海绵钛或其 它纯钛料、AlNb合金、AlMo合金、纯Ni、纯Al以及纯Si作为原料，或者其他能够使合金的 最终组成符合比例要求的原料，在真空自耗电极电弧凝壳炉或真空感应炉中熔炼并浇铸成 型，浇铸成型时可以对钛铝合金铸锭进行真空熔炼后浇铸或进行充氩熔炼后浇铸；所述真 空熔炼后浇铸是指铸锭真空熔炼前需要预抽一定的真空，并待钛铝合金液体完全熔化后方 可浇铸成型；所述充氩熔炼后浇铸工艺是指充氩熔炼前炉内需要预抽一定的真空度，之后 充入氩气到一定压力后进行熔炼，并待钛铝合金液体完全熔化后方可浇铸成型。
5.根据权利要求4所述制备方法，其特征是所述的感应炉熔炼钛铝合金铸锭时需 要熔炼两次以上以保证材料的均勻性；钛铝合金铸锭的制备方法为首先挤压钛铝合金电 极，之后在真空自耗电极电弧炉中熔炼成钛铝合金铸锭。
6.根据权利要求4所述制备方法，其特征是充氩熔炼前炉内需要预抽一定的真空度， 真空在3. 5Pa以下。
7.根据权利要求4所述制备方法，其特征是所述的充入氩气到一定压力，氩气压力为 60000Pa 以上。
全文摘要
本发明介绍了一种高温性能优异的钛铝基合金材料，该合金属于γ-TiAl合金，化学成分质量百分比组成为Al44.0～48.0at％、Nb3.0～5.0at％、Mo0.1-3.0at％、Ni0-0.8at％、Si0-0.8at％、其余为Ti及不可避免的杂质元素。制备方法使原料在真空自耗电极电弧凝壳炉或真空感应炉中熔炼并浇铸成型，浇铸成型时可以对钛铝合金铸锭进行真空熔炼后浇铸或进行充氩熔炼后浇铸。本发明的耐高温钛铝基合金，提高了普通TiAl合金的使用温度，使钛铝合金能在900℃下使用，而且既有良好的室温塑性，又有良好的抗蠕变性能和抗氧化性能；该合金具有良好的铸造性能，适合于薄壁零件的铸造，具有巨大的市场前景。
文档编号C22C1/02GK101948967SQ20101029773
公开日2011年1月19日 申请日期2010年9月30日 优先权日2010年9月30日
发明者周洪强, 姜建伟 申请人:洛阳双瑞精铸钛业有限公司